物理实验课程绪论

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1、1,物理实验课程绪论,1.物理实验的重要作用 2.测量误差和不确定度估计的基础知识 3.学生须知 4.怎样上好物理实验课,2,1.物理实验的重要作用,物理是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，它必须以客观事实为基础，必须依靠观察和实验。归根结底物理学是一门实验科学，无论物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础，并通过今后的科学实验来证实。 物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的作用。,3,经典物理学（力学、电磁学、光学）规律是由以往的无数实验事实为依据来总结出来的。 X射线、放射性和电子的发现等为原子物理学、核物理学等的发展奠定了基础。 卢瑟福从大角度粒子散射

2、实验结果提出了原子核基本模型。,实验可以发现新事实，实验结果可以为 物理规律的建立提供依据,4,实验又是检验理论正确与否的重要判据,1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论，能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果，但是直到1916年当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。 1974年J/粒子的发现更进一步证实盖尔曼1964年提出的夸克理论。,理论物理与实验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受实践检验。只有经受住实验的检验，由实验所证实，才会得到公认。,5,实验的定义：为了验证预测或获得新的信息，通过技术性的操作来观测由预先安

3、排的方法所产生的现象。,实验的四个阶段： 选定目标，做出大概计划。 选择装置与制作装置。 进行观察和测量。 分析数据，整理结果。 实验的分类： 学生实验 研究性实验,6,物理实验课程的主要目的和任务,1.对学生进行“三基”的训练。使学生获得物理实验的基本知识,进行基本实验方法和基本实验技能的训练。培养学生的阅读理解能力、动手操作能力、分析判断能力、书写表达能力以及初步的实验设计能力。 2.加深对物理概念、规律的掌握和理解。 3.具备初步的从事实验工作的基本素质。,7,物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，实验结果也比较有定论，但它是对学生进行基础训练的

4、一门重要课程。它不仅可以加深大家对理论的理解，更重要的是可使同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能诸方面得到较为系统、严格的训练，是大学里从事科学实验的起步，同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。,8,2.测量误差和数据处理的基础知识,2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识 2-2 实验数据有效位数的确定 2-3 作图法处理实验数据 2-4 数据的直线拟合（最小二乘法处理实验数据）,9,测 量,物理实验以测量为基础 完整的测量结果应表示为：以电阻测量为例 包括： 测量对象 测量对象的量值测量的不确定度 测量值的单位（Y = y 表示被测对象的

5、真值落在（y ，y ）范围内的概率很大， 的取值与一定的概率相联系。）,10,测 量,测量分为直接测量和间接测量 直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算而可直接得到被测量值的测量； 间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系经过计算从而得到被测量值的测量。 任何测量都可能存在误差（测量不可能无限准确)。,11,测量误差的定义和分类,误差dy测量结果 y 真值 Yt 误差特性：普遍性、误差是小量 由于真值的不可知，误差实际上很难计算 （有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差） 误差的表示方法：绝对误差 dy 相对误差 误差分类系统误差 随机误差,12,系

6、统误差,定义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定 或以可预知的方式变化的测量误差的分量。 产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入 分类及处理方法：已定系统误差：必须修正电表、螺旋测微计的零位误差；伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起的误差。 未定系统误差：要估计出分布范围（大致与 B 类不确定度B 相当）如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等,13,随机误差,定义：在对同一量的多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。 产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。例如：电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围

7、内随机变化、操作读数时的视差影响。 特点：小误差出现的概率比大误差出现的概率大；多次测量时分布对称，具有抵偿性因此取多次测量的平 均值有利于消减随机误差。,14,精密度、准确度和精确度,(a).精密度高，准确度差。(b).准确度高，精密 度差。(c).精密度、准确度都高，就是精确度 高。,15,随机误差的处理,假定对一个量进行了n次测量，测得的值为yi (i =1, 2，n)，可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值(假定无系统误差)用标准偏差 s 表示测得值的分散性s按贝塞耳公式求出：s大，表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低；s小，表示测得值很密集，随机误差分布范围

8、窄，测量的精密度高；s可由带统计功能的计算器直接求出。,16,随机误差的处理举例,例：用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量 结果如下（单位mm）：250.08，250.14，250.06, 250.10, 250.06, 250.10 则：测得值的最佳估计值为测量列的标准偏差,17,随机变量的分布,正态分布：大量相对独立微小因素共同作用下得到的随机变量服从正态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作服从正态分布。表示 x 出现概率最大的值，消除系统误差后， 通常就可以得到 x 的真值。称为标准差，是曲线的拐点表示随机变量 x 在x1，x2区间出现的概率，称为置信概率。实

9、际测量的任务是通过测量数据求得 和的值。,18,随机变量的分布,实际测量次数有限，可用 n 次测量值的 来估算、：可以证明平均值的标准偏差 是单次测量的 sx 值的 倍此时可用来表示实验结果 但是由于测量次数小，测量值的平均值将不符合正态分布，而是符合t 分布（t 分布是从 的性质得到的一种分布。其中自由度= n1。 n 小的情况，t 分布偏离正态分布较多。n 大的情况趋于正态分布）。 此时， 的置信概率不是0.683，需乘以与置信水平、自由度有关的系数 ，得到置信水平为的结果：的值可查表,19,测量误差与不确定度,不确定度的权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际计量局(BIPM)等七个国际

10、组织1993年联合推出的 Guide to the expression of Uncertainty in measurement 不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。不确定度是一定概率下的误差限值。不确定度反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差的联合分布范围。由于真值的不可知，误差一般是不能计算的，它可正、可负也可能十分接近零；而不确定度总是不为零的正值，是可以具体评定的。,20,直接测量量不确定度的估算,总不确定度分为两类不确定度：A 类分量 多次重复测量时用统计学方法估算的分量；B 类分量 用其他方法（非统计学方法）评定的分量。这两类分量在相同置

11、信概率下用方和根方法合成总不确定度：（物理实验教学中一般用总不确定度，置信概率取为95%）,21,直接测量量不确定度的估算,简化处理方法： A 类分量A 的估算：实验中用到的 ，列表如下当 5 n 10时，可简化认为 A=Sy（置信概率95%） B 类分量B= 仪 , 认为 B 主要由仪器的误差特点来决定不确定度合成：,22,直接测量量不确定度的估算,结果表示： 以测量列 y 的平均值 再修正掉已定系统误差项 y0 得到被测对象的量值。 由A、B 类不确定度合成总不确定度则：,23,直接测量量不确定度估算过程（小结）,求测量数据列的平均值修正已定系统误差y0，得出被测量值 y用贝塞耳公式求标准

12、偏差s 标准偏差s 乘以因子来求得A 当 5n10，置信概率为95%时，可简化认为A s 根据使用仪器得出B B= 仪由A、 B合成总不确定度 给出直接测量的最后结果：,24,直接测量量不确定度估算举例,例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值yi分别为：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微计的零位y0为：0.004, 单位mm，已知螺旋测微计的仪器误差为仪=0.004mm，请给出完整的测量结果。 解：测得值的最佳估计值为测量列的标准偏差 测量次数n=6，可近似有则：测量结果为 Y=0.2460.004mm,25,间接测量量的

13、不确定度合成,实用公式,26,间接测量量的不确定度合成过程,1.先写出（或求出）各直接测量量 xi 的不确定度 2.依据 关系求出 或 3.用 或 求出 或 4.完整表示出Y的值,27,间接测量量的不确定度合成举例,例：已知金属环的外径 内径 高度求环的体积V 和不确定度V。 解：求环体积求偏导合成求V结果 V=9.440.08cm3,28,在实验中我们所得的测量结果都是可能含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，应反映出测量值的准确度。所以在记录数据、计算以及书写测量结果时，应根据测量误差或实验结果的不确定度来定出究竟应取几位有效位数。,实验数据有效位数的确定,29,有效数字,1.有效数字的

14、概念：1.32545 24.675 658900.579 0.000982 0.21067 重要概念：A.有效位数B.和小数点无关C.一位可疑数字,30,有效数字的有关规定：,1.有效数字中的“0”数值前的“0”不是有效数字。 2.单位涣算保持有效位数不变例如:3.71m=3.71102cm(371cm)=3.71103mm 3.直接测量的读数规则.可以估读的仪器一定要估读。 .按最小分度值的1/2、1/5、或1/10估读。 4.关于误差的规定： .误差的有效位数一般取一位，最多取两位。.测量结果的最后一位应该和误差位对齐。 去尾方法：四舍六入五凑偶。,31,有效数字的运算规则：,1.加减运算：最后结果的小数点位数和加数中小数位数最少的对齐。 2.乘除运算：最后结果的有效位数和乘（除）数中有效位数最少的相同。 3.乘方、开方运算：最后结果的有效位数和底数的有效位数相同。 4.对数运算：对数的有效位数和真数相同。 5.常数运算：运算中它们的有效位数是任意的。 6.三角函数运运算：三角函数的可疑数和角度的最小单位对应的那一位对齐。,32,例如,1. 1.389+17.2+8.67+94.12=121.4。1.38917.28.67+ 94.12 12.385121.379 2.22. 12.3852.2=27。 24770+ 24770 27.2570,